振动搅拌水稳碎石均匀性及性能试验分析

朱成云

（四川公路桥梁建设集团有限公司机械化施工分公司，四川 成都 610000）

0 引言

在长期的工程实践中，人们发现水稳碎石基层具有良好的承载能力，但是也存在一定的缺陷问题，比如容易出现裂缝，并且快速拓展到面层，抗弯能力相对较差，对公路路面的耐久性造成不良影响[1]。水稳碎石中水泥含量通常不超过5%，利用传统搅拌设备进行拌制时，操作时间较短，使得水泥颗粒容易出现团聚现象，水化不充分，难以对骨料进行均匀性包裹，使得骨料表面干燥露白，骨料之间的黏结强度降低，特别容易出现离析现象[2]。采用振动搅拌的方式生产水稳碎石可以确保水泥包裹骨料的均匀性，提升水稳碎石的综合性能。

1 振动搅拌的原理与工程概况

1.1 振动搅拌的原理

利用传统搅拌方式对水稳碎石进行生产时，主要利用叶片的均匀旋转强制带动设备内部的原料转动，各原料运动轨迹几乎不变。在旋转搅拌过程中，各物料之间相互穿插、剪切，时间越长，均匀性越好。利用这种搅拌方式时，水泥的含量相对较少，很难完全分散，无法对骨料进行均匀性包裹。用显微镜对水稳碎石混合料观察，发现水泥颗粒出现了明显的团聚现象，没有在最大限度上发挥水泥优势，削弱了混合料的性能。

振动搅拌是在传统搅拌工艺的基础上施加高频振动工艺，物料在拌制过程中受到高频颤振的影响，可以有效规避水泥颗粒的团聚现象，使水泥能够更加均匀地分布在骨料表面，增加骨料之间的黏结强度。通过显微镜观察发现振动搅拌的微观均匀性大幅度提升，利用这种混合料施工得到的公路基层具有更好的强度和抗裂性能[3]。

1.2 工程概况

某新建高速公路全长约18km，路基宽度为27m，设计行车速度为120km/h。根据该项目施工方案，需要铺设水泥水稳碎石层，其总厚度为36cm，分上、下两层分别进行铺筑，每层厚度为18cm。其中，水泥水稳碎石的水泥含量为4.5%，采用振动搅拌技术进行生产。为了分析振动搅拌技术的优势，在正式开展大面积施工前，需要通过试验的方法分析技术参数对水稳碎石均匀性以及强度性能的影响。下文依托该工程案例介绍振动搅拌对水稳碎石均匀性及其强度性能的影响情况。

2 拌制方案以及集料组成设计

2.1 拌制工艺方案设计

该工程案例中，对于水稳碎石混合料拟采用2 台拌缸，通过串联方式进行二次搅拌。为了将传统搅拌技术和振动搅拌技术进行对比，共设计了2 种搅拌方案，其中第1 次搅拌全部使用传统搅拌技术，但在第2 次搅拌时，方案1 采用振动搅拌，方案2 仍然采用普通搅拌。

2.2 集料组成设计

水稳碎石除振动工艺会对性能产生影响外，集料混合比也会极大地影响其性能。为了尽量减少集料混合比对结果的影响，需要结合实际情况对集料组成进行科学设计，通过贝雷法中的CA、FAC 和FAF 三个技术指标对集料组成的效果进行评价。其中，CA指标反映的是粗集料的嵌挤情况；FAC 指标反映的是粗集料和细集料之间相互嵌挤填充的情况；FAF 指标反映的是最细一级集料的嵌挤填充情况。根据相关研究结果，以上三项技术指标的取值范围依次为0.7～0.85、0.35～0.5、0.35～0.5。该工程案例中上述三个参数指标的具体数值分别为0.77、0.45 和0.47，均在建议的取值范围内，具有合理性。另外，水稳碎石搅拌时使用的水泥型号为P·C32.5R。

3 混合料搅拌均匀性分析

3.1 试验方法

水泥EDTA 滴定试验可以很好地描述混合料中水泥分散的均匀度，是直接反映搅拌均匀性的指标之一。该案例基于筛分试验和水泥EDTA 滴定试验，对集料关键筛孔的通过率以及水泥含量相关试验结果平均值等参数进行统计分析，评估其均匀性。基于筛分试验可以掌握施工级配的波动情况，在一定程度上反映出混合料的总体均匀性。

3.2 试验结果与讨论

3.2.1 集料宏观均匀性

对于利用两种搅拌工艺方案获得的水稳碎石混合料，在摊铺机后方分别取对应试样进行分析，首先对混合料进行水洗，再进行筛分。对每组方案分别开展8 次试验，每次试验取样间隔15min，以降低试验偶然性对结果的影响。通过分析4 种筛孔直径下的通过率，计算出不同试验的平均值以及标准差，相关结果如表1 所示。

表1 筛分试验关键筛孔通过率平均值以及标准差

方案1 采用的振动搅拌技术，方案2 采用的普通搅拌技术。从表1 数据可以明显看出，对于不同筛孔直径的通过率，两种方案的平均值差异性相对较小，且两种方案最终的筛孔通过率均与设计标准相吻合，说明混合料的比例对最终结果影响较小，可以忽略不计。另外，从标准差可以看出，不同样品测量的通过率的标准差较小，在合理范围以内，说明该工程案例中对混合料各原料的比例控制比较好，为水稳碎石基层施工质量奠定了良好的基础。

方案1 和方案2 的4 种筛孔直径通过率标准差均较小，说明该案例通过2 台拌缸串联的方式实施二次搅拌具有良好效果，即便采用普通搅拌技术也能保证水稳碎石混合料的搅拌均匀性，其原因可能是二次搅拌延长了混合料的搅拌时间，搅拌时间越长混合料的均匀性自然越好。进一步对比两种方案在相同筛孔直径下的通过率标准差可以发现，采用振动搅拌技术的方案1 的标准差，比采用普通搅拌技术的方案2 的标准差相对更小，在筛孔直径分别为19mm、13.2mm、9.5mm 和4.75mm 时，对应通过率的标准差，方案1 比方案2 分别降低了27.73%、24.08%、51.28%、51.26%。基于以上数据可知，通过振动搅拌技术能够大幅度改善集料的分布均匀性，且粒径为9.5mm 和4.75mm 时的改善效果最显著，从某个层面反映出利用传统搅拌技术拌制混合料时，细集料更容易受到水泥分布不均匀的影响，黏结强度不均匀，粒径较小的集料更容易出现非均匀性分布的问题。

3.2.2 水泥分散均匀性

利用水泥EDTA 滴定试验对水泥分散均匀性进行测定，试样采集方法与上述的采样方法完全相同。为了降低试验结果的偶然性，同时对两种方案的多组试样进行测定，每个方案共记录了8 组试验，得到每种方案的水泥用量平均值以及标准差，其结果如表2所示。

表2 混合料中水泥用量的平均值和标准差

由表2 中数据可以看出，方案1 和方案2 的水泥用量平均值分别为4.53%和4.33%，该工程案例中设计的水泥用量为4.5%。由此可见，基于振动搅拌工艺得到的平均值比标准值多0.03%，利用传统搅拌工艺得到的水泥用量平均值比设计标准值减少0.17%。对于水稳碎石基层而言，水泥用量是关键的技术指标，会对最终结果产生显著影响，因此必须严格控制水泥用量。通过对两种方案的水泥用量平均值进行对比可知，利用振动搅拌技术可以对水泥用量进行更好的控制，为水稳碎石基层的施工质量提供坚实保障。

方案1 和方案2 的标准差分别为0.18%和0.58%，前者在后者的基础上降低0.4%，可见振动搅拌技术与传统搅拌技术相比较水泥用量更加稳定。方案2 的标准差只有0.58%，说明利用两次搅拌方法已经可以使水泥用量的均匀性得到明显改善，整体的均匀性较好。但在第2 次搅拌时结合振动搅拌技术，加上高频振动，能够极大地降低水泥浆体的聚集现象，可以进一步提升水泥用量的均匀性，为水泥的水化效应提供更良好的条件。

图1 为基于振动搅拌技术获得的水稳碎石混合料表面的基本情况，从图中可以看出，混合料表面整体颜色相对较深，表面颜色越深说明表面水泥含量越多。观察结果表明振动搅拌技术得到的骨料表面水泥的分布更加均匀，裹覆效果比较好。

图1 基于振动搅拌技术得到的混合料表面情况

4 强度和施工均匀性

4.1 试验方案

对于高速公路水稳碎石基层而言，强度和压实度是重要的技术指标，直接决定了公路的承载能力，如表3 所示为此次设计的实施方案，为了保障试验结果的可对比性，表中两种方案采用完全一样的碾压以及养护工艺。

表3 试验方案的对比

4.2 试验结果分析与讨论

在完成水稳碎石的施工工序以后，需进行养护处理，在7d 和28d 时针对两种搅拌方案得到的基层分别取9 组试样，并开展无侧限抗压强度测试工作。结果发现，养护时间为7d 时方案1 的抗压强度平均值和标准差分别为7.1MPa 和0.578MPa，方案2 对应的平均值和标准差为5.6MPa 和0.712MPa；养护时间为28d时，方案1 得到的无侧限抗压强度平均值和标准差依次为8.2MPa 和0.434MPa，方案2 对应的数值分别为6.3MPa 和0.553MPa。

方案1 采用的是振动搅拌技术，从上述数据可以看出方案1 不管是养护时间为7d 还是28d，其对应的抗压强度平均值均比方案2 要大，说明基于振动搅拌技术获得的混合料具有更大的强度，可以更大幅度地提升路面的承载能力。标准差反映的是试验结果的变化程度，标准差越小说明变化程度越小，表明各个试样的无侧限抗压强度稳定性越好。方案1 的9 组试验标准差比方案2 更小，说明利用振动搅拌技术得到的水稳碎石混合料具有更好的稳定性，性能更均匀。

压实度也是反映水稳碎石基层施工质量的技术指标，会对基层使用寿命及其综合性能产生直接影响。对两种方案下的基层压实度分别进行测定，结果发现两种方案的压实度平均值分别为99.2% 和98.5%。该工程案例中设计的压实度要求为98% 以上，可见两种方案都能达到设计要求，但在振动搅拌技术的作用下水稳碎石基层压实度有待进一步提升，其原因是水泥的水化物与骨料之间的分布更加均匀，骨料之间在压实过程中相互之间的阻力减小，更容易被压实。

通过上文试验可以看出，基于振动搅拌技术能够有效提升水泥稳定碎石混合料中的集料均匀性和水泥含量均匀性，有效避免了水泥颗粒的团聚现象，使水泥浆能够更加均匀地包裹在集料周围，确保水泥水化作用的均匀性，为提升各集料之间的黏结强度奠定了良好的基础。

5 结语

振动搅拌技术是人们在长期实践过程中总结获得的最新技术手段，对于传统搅拌技术而言是一种理论创新。振动搅拌在传统搅拌的基础上增加了高频振动，使水泥在混合料中难以团聚，确保水泥能够更加均匀地裹覆在集料周围，提升水泥的水化效果，增强集料之间的黏结强度。通过试验发现，振动搅拌技术与传统搅拌技术相比，水稳碎石的均匀性以及强度性能都得到大幅度提升，为公路基层施工质量奠定了良好的基础。未来，相关技术人员应继续加大对振动搅拌技术的研究与分析，积累相关实践经验，为其他类似工程项目提供有效参考。